JP2000173651A - 二次電池用非水電解液 - Google Patents

二次電池用非水電解液

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JP2000173651A JP10366044A JP36604498A JP2000173651A JP 2000173651 A JP2000173651 A JP 2000173651A JP 10366044 A JP10366044 A JP 10366044A JP 36604498 A JP36604498 A JP 36604498A JP 2000173651 A JP2000173651 A JP 2000173651A
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定夫 上田
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 非水溶媒と、電解質としてリチウム化合物を
含む二次電池用非水電解液において、シリコ−ンオイル
とフルオロポリオキシエチレンエ−テルからなるフッ素
系非イオン界面活性剤とを含有させてなる二次電池用非
水電解液。 【効果】 電解質としてリチウム化合物を含む二次電池
用非水電解液において、分解ガスの発生を抑制し電池の
膨れ防止を果すことができると共に、充放電特性やイン
ピ−ダンス特性を改善できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非水溶媒系のリチ
ウム化合物を電解質として含有する二次電池用非水電解
液の改良技術に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、カメラ一体型VTR、携帯電話、
ラップトップコンピュータ等の新しいポータブル電源と
して、特に、従来のニッケルーカドミニウム(Ni−C
d)二次電池や鉛二次電池に比べ軽量で高容量且つ高エ
ネルギー密度のリチウム二次電池が注目されている。
【0003】従来より、リチウム二次電池の非水電解液
の電解質としては、LiPF6、LiBF4等が、また、
非水溶媒としては、炭酸プロピレン(PC)、炭酸エチ
レン(EC)、γーブチロラクトン(GBL)、炭酸ジ
メチル(DMC)、炭酸エチルメチル(MEC)、炭酸
ジエチル(DEC)、酢酸エチル(EA)、プロピオン
酸メチル(MPR)、1,2−ジメトキシエタン(DM
E)、2−メチルテトラヒドロフラン(2−MeTH
F)等が用いられている。
【0004】しかしながら、負極活物質であるカ−ボン
又はグラファイト等からなる炭素材料は上記電解質と反
応し、その反応生成物が電極表面に被膜となって付着
し、その被膜が電池特性に大きく影響を与える。そこ
で、電池特性に悪影響を及ぼさないよう電解液組成が工
夫されており、一般に、上記PCあるいはEC等の炭酸
エステル類は、リチウムと反応してイオン伝導性を有す
る炭酸塩の被膜を生成する為、電池内部抵抗の増加等の
電池特性に及ぼす悪影響は少なく、さらに、この被膜が
負極表面の保護膜となり、電池の保存特性等を良好にし
ているので、従来よりリチウム二次電池用非水電解液の
主成分となっている。しかし、当該炭酸エステル類は、
二次電池の充電放電時あるいは高温下での保存中に、分
解により炭酸ガスやオレフィンガスを生成する為、内圧
が上昇し、電池が膨れるという問題があった。また、当
該炭酸エステル類は、比較的融点が高く、また、当該炭
酸プロピレン(PC)あるいは炭酸エチレン(EC)等
の環状のものは、粘性率が高く、さらに、上記炭酸ジメ
チル(DMC)あるいは炭酸ジエチル(DEC)等の直
鎖状のものは、誘電率が低い為、上記γーブチロラクト
ン(GBL)あるいは酢酸エチル(EA)等のカルボン
酸エステル類と比較すると、電解液溶媒とした時の電解
液の導電率が小さいという欠点がある。従って、高出力
な二次電池として要求される充分な急速充電特性あるい
は低温放電特性が得られ難かった。上記において、本発
明者等の検討によれば、シリコ−ンオイルを添加する
と、非水電解液の分解による炭酸ガスやオレフィンガス
等の発生を抑制できるので、電池の膨れを防止でき、
又、充放電特性やインピ−ダンス特性を改善できること
が分かったが、なお、充放電特性やインピ−ダンス特性
については改良の余地があることが分かった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
技術の有する欠点を解消できる技術を提供することを目
的としたものである。本発明の前記ならびにそのほかの
目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面か
らもあきらかになるであろう。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、非水溶媒と、
電解質としてリチウム化合物を含む二次電池用非水電解
液において、次の式1で表されるシリコ−ンオイルとフ
ルオロポリオキシエチレンエ−テルからなるフッ素系非
イオン界面活性剤とを含有させてなることを特徴とする
二次電池用非水電解液に係るものである。
【0007】
【式1】 但し、上記式中のR は、アルキル基であり、同一でも、
異なっていてもよい。n=0〜1000。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
【0009】本発明において使用される非水溶媒として
は、例えば、炭酸プロピレン(PC)、炭酸エチレン
(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸エチルメチル
(MEC)、炭酸ジエチル(DEC)、γーブチロラク
トン(GBL)、酢酸エチル(EA)、プロピオン酸メ
チル(MPR)、プロピオン酸エチル(EPR)、1,
2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−ジエトキシ
エタン(DEE)、2−メチルテトラヒドロフラン(2
−MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、スル
ホラン(SL)、メチルスルホラン(MeSL)等従来
より二次電池用非水電解液において用いられているよう
な溶媒を使用することができるが、前記目的から、炭酸
エステル類を使用することが好ましい。これらは二種以
上を混合してもよい。
【0010】本発明の二次電池用非水電解液において
は、電解質としてリチウム化合物を使用する。これによ
り、本電解質はリチウム二次電池の電解液として特に有
用となる。このようなリチウム化合物としては、従来の
リチウム二次電池において用いられているものを使用す
ることができる。例えば、LiClO4、LiAsF6
LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF
3SO22、LiC(CF3SO23等を使用できる。電
解質であるリチウム化合物の二次電池用非水電解液中で
の濃度は、導電率の点等から0.1〜3.0mol/リ
ットル、好ましくは0.3〜2.0mol/リットルと
するとよい。
【0011】本発明において使用される上記シリコ−ン
オイルにおける式1中のR は、メチル基、エチル基等の
アルキル基であり、同一でも、異なっていてもよい。ま
た、nは、0〜1000である。nが1000を超える
ときには、非水電解液の分解によるガス発生の抑制効果
や充放電特性やインピ−ダンス特性の改善に難点を生じ
る。上記シリコ−ンオイルは、市販のものを使用するこ
とができ、具体例としては、信越化学工業株式会社製K
F96(以下、KF96と称する)等が挙げられる。当
該シリコ−ンオイルには、上記のようなシリコ−ンオイ
ルを溶剤に溶かした溶液型や各種添加剤を配合したもの
等の二次製品的なものも包含する。
【0012】上記シリコ−ンオイルの非水電解液中での
濃度は、0.002〜2重量%であることが好ましい。
0.002重量%未満では、高温保存下における非水電
解液の分解によるガス発生の抑制効果、また、充放電、
インピ−ダンス特性の改善効果が充分でなく、一方、2
重量%を超えても、当該効果が飽和し、逆に電池容量が
低下する傾向にある。
【0013】本発明で使用されるフッ素系非イオン界面
活性剤は、次の式2で表されるフルオロアルキル基を有
する非イオン界面活性剤で、疎水基として当該フルオロ
アルキル基を有し、又、これに親水基を導入した界面活
性剤である。
【0014】
【式2】 但し、上記式中のx=1〜16、y=1〜10である。
疎水基のフルオロアルキル基は、その炭素数(x)が1
のCF3や、炭素数(x)が2〜16のパ−フルオロア
ルキル基例えばC25、C37等により構成される。
上記x及びyの値が上記範囲を逸脱する時には、充放電
時、高温保存下における非水電解液の分解によるガス発
生の抑制効果や充放電特性の改善効果が充分でなくな
る。上記疎水基を有する中間体に、親水基としてポリオ
キシエチレンを付加導入することにより、フルオロポリ
オキシエチレンエ−テルからなるフッ素系非イオン界面
活性剤を構成できる。
【0015】本発明で使用されるフッ素系非イオン界面
活性剤の具体例としては、次の式3で表されるフルオロ
ポリオキシエチレンエ−テルが挙げられる。
【式3】 但し、上記式中のz=3〜20。zが3未満では、充放
電、高温保存下における非水電解液の分解によるガス発
生の抑制効果、また、充放電特性の改善効果が充分でな
く、一方、20を超えても、当該効果が飽和し、逆に電
池容量が低下する傾向にある。
【0016】本発明におけるフッ素系非イオン界面活性
剤としては、市販のものが使用でき、例えば、株式会社
ネオス社製の商品名フタ−ジェントFT−251(以
下、単に、FT−251という),FT−250等が使
用できる。
【0017】本発明において使用されるフッ素系非イオ
ン界面活性剤の他の例としては、例えば、次の式4で表
される界面活性剤が挙げられる。
【0018】
【式4】 但し、上記式中のRfは、炭素数2〜14のパ−フルオ
ロアルキル(基)、Zは、上記Rfの炭素および(C
2aの炭素原子に結合した2価の架橋基、R1及びR2
は、同一又は相異なる水素原子またはメチル基、Iは、
0又は1の整数、aは、1〜12の整数、bは、30〜
100の整数である。上記Zの2価の架橋基の例として
は、エ−テル[−O−、−(CH22−O−]が挙げら
れる。当該フッ素系非イオン界面活性剤の具体例として
は、1,1,2,2−テトラハイドロ・パ−フロロオク
タノ−ル・ポリオキシエチレン付加重合体、N−プロピ
ルパ−フロロオクタンスルホンアミドエタノ−ル・ポリ
オキシエチレン付加重合体、6−(パ−フロロオクチ
ル)ヘキサノ−ル−1・ポリオキシエチレン付加重合体
が挙げられる。
【0019】上記界面活性剤の非水電解液中での濃度
は、0.001〜0.1重量%であることが好ましい。
0.001重量%未満では、充放電、高温保存下におけ
る非水電解液の分解によるガス発生の抑制効果、また、
充放電特性、インピ−ダンス特性の改善効果が充分でな
く、一方、0.1重量%を超えても、当該効果が飽和
し、逆に電池容量が低下する傾向にある。
【0020】本発明の二次電池用非水電解液は、例え
ば、非水溶媒を撹拌しながら、その中に電解質としてリ
チウム化合物を添加して溶解させ、上記シリコ−ンオイ
ル及び界面活性剤を添加して溶解させることにより製造
することができる。
【0021】本発明の二次電池用非水電解液は、リチウ
ム化合物を電解質とする、種々の構成の二次電池に適用
することができる。例えば、リチウム金属、リチウム合
金またはリチウムをドープ・脱ドープすることができる
材料からなる負極を有するリチウム二次電池に好ましく
適用することができる。ここで、リチウム合金として
は、リチウムーアルミニウム合金を例示することができ
る。また、リチウムをドープ・脱ドープすることができ
る材料としては、例えば、熱分解炭素類、コークス類
(ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス
等)、グラファイト類、有機高分子化合物焼成体(フェ
ノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化
したもの)、炭素繊維、活性炭等の炭素材料等を使用す
ることができる。
【0022】一方、正極は、充放電が可能な種々の材料
から形成することができる。例えば、LiCoO2、L
iNiO2、LiMn24、LiMnO2などのLix
2(ここで、Mは一種以上の遷移金属であり、xは電
池の充放電状態によって異なり、通常0.05≦x≦
1.20である)で表される、リチウムと一種以上の遷
移金属との複合酸化物や、FeS2、TiS2、V25
MoO3、MoS2などの遷移元素のカルコゲナイトある
いはポリアセチレン、ポリピロール等のポリマー等を使
用することができる。
【0023】本発明の二次電池用非水電解液を使用した
二次電池の形状については特に限定されることはなく、
ボタン型、円筒型、角型、コイン型等の種々の形状にす
ることができる。
【0024】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に説明す
る。
【0025】実施例1.当該実施例で用いた非水電解液
二次電池につき、図1に基づいて説明する。図1に示す
ごとく、本例の非水電解液二次電池1は、正極2と負極
3とセパレータ4と非水電解液5とボタン型電池容器6
と正極側集電体7と負極側集電体8とガスケット9とを
有してなる。上記正極2としては、LiCoO2を正極
活物質とする合剤をペレット状に加圧成形した成形品を
使用した。また、負極3としては、コークスを負極活物
質担体とした合剤をペレット状に加圧成形した成形品を
使用した。非水電解液5には、炭酸エチレン(EC)と
炭酸ジエチル(DEC)との混合溶媒(容量比2:3)
に、LiPF6からなる電解質を濃度1mol/リット
ルにて含有させ、さらに、シリコ−ンオイルKF96を
0.05%、フッ素系非イオン界面活性剤FT−251
を0.003%含有してなる溶液を使用した。上記セパ
レータ4にはポリプロピレン製の不織布よりなるセパレ
ータを用いた。また、正極側集電体7はステンレス鋼に
より構成し、一方、負極側集電体8はニッケルエキスパ
ンドメタルにより構成した。さらに、前記電池容器6は
ステンレス鋼より構成し、その正極缶と負極缶をポリプ
ロピレンのガスケット9により固定した。以上のように
して作製した電池について、電池容量、低温放電時の電
池容量、電池インピ−ダンスを調べた。尚、充電は定電
流法とし、上限電圧を4.2V、定電流での電流密度を
0.60(0.2C)mA/cm2 に設定し、放電は、
電流密度を0.60(0.2C)mA/cm2または3
(1C)mA/cm2の定電流で行ない、終止電圧は
2.7Vとした。通常充放電は20℃で100サイクル
行ない、100サイクル目の放電容量で評価した。ま
た、高温保持容量は0,2Cの通常充電した電池を温度
50℃の環境下に100時間放置した後、20℃に冷却
し、0,2Cの通常放電を実施して電池容量の比較によ
り評価した。
【0026】実施例2.実施例1における非水電解液5
を、炭酸エチレン(EC)と炭酸ジメチル(DMC)と
の混合溶媒(容量比1:1)にシリコ−ンオイルKF9
6を0.3%、フッ素系非イオン界面活性剤FT−25
1を0.01%を含有させたものに変えた以外は、上記
実施例1と同様にしてボタン型電池を作製し、実施例1
と同様の条件下で、電池容量、低温及び高温時の電池容
量、インピ−ダンスを調べた。
【0027】比較例1.実施例1において界面活性剤を
添加しなかった以外は、実施例1と同様にしてボタン型
電池を作製し、実施例1と同様の条件下で、電池容量、
低温及び高温時の電池容量、インピ−ダンスを調べた。
【0028】比較例2.実施例2において、界面活性剤
を添加しなかった以外は、実施例2と同様にしてボタン
型電池を作製し、実施例1と同様の条件下で、電池容
量、低温及び高温時の電池容量、インピ−ダンスを調べ
た。
【0029】比較例3.実施例1において、シリコ−ン
オイル及び界面活性剤を添加しなかった以外は、実施例
1と同様にしてボタン型電池を作製し、実施例1と同様
の条件下で、電池容量、低温及び高温時の電池容量、イ
ンピ−ダンスを調べた。
【0030】比較例4.実施例2において、シリコ−ン
オイル及び界面活性剤を添加しなかった以外は、実施例
2と同様にしてボタン型電池を作製し、実施例1と同様
の条件下で、電池容量、低温及び高温時の電池容量、イ
ンピ−ダンスを調べた。
【0031】以上の結果を、表1、図2及び図3に示
す。図2は、実施例1と比較例1及び比較例3の低温放
電後のインピ−ダンス曲線を示す。又、図3は、実施例
3と比較例2及び比較例4の低温放電後のインピ−ダン
ス曲線を示す。
【0032】
【表1】
【0033】表1に示すように、本発明のシリコ−ンオ
イル及び界面活性剤を添加した電解液(実施例1、2)
は、100サイクル目の放電容量、低温放電時及び高温
保持後の放電時の電池容量の全てにおいて、当該シリコ
−ンオイルのみを加えた電解液(比較例1、比較例2)
及び当該シリコ−ンオイル及び界面活性剤を加えない電
解液(比較例3、比較例4)に比較して、増加が見ら
れ、効果があることが判る。また、図2は、実施例1と
比較例1及び比較例3の低温放電後のインピ−ダンス曲
線を示すが、当該図2に示すように、実施例1は比較例
1及び比較例3に比べてインピ−ダンスが下がり優れて
いることが判る。又、同様に、図3に示すように、実施
例3は比較例2及び比較例4に比べてインピ−ダンスが
下がり優れていることが判る。尚、シリコ−ンオイル及
び界面活性剤を添加した実施例1及び2の電解液につい
て、電池の膨れ状態を、90℃、100時間放置後に、
電池を分解し、電解液を赤外分光光度計を使用して炭酸
ガス濃度を測定して評価した所、シリコ−ンオイル及び
界面活性剤を添加しない比較品の電解液中の炭酸ガス濃
度は1000〜1200ppmであったのに対し、本発
明品は1000ppm以下で電池の膨れ防止効果がある
ことを確認した。
【0034】以上本発明者によってなされた発明を実施
例にもとずき具体的に説明したが、本発明は上記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、
上記実施例では、電池の形状はボタン型で説明を行なっ
たが、これに限定されるものではなく、他の角型、円筒
型、コイン型等であっても同様の効果を得ることが出来
る。
【0035】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。すなわち、本発明によれば、二次電
池用非水電解液において、分解ガスの発生を抑制し電池
の膨れ防止を果すことができると共に、充放電特性やイ
ンピ−ダンス特性を改善できる。即ち、シリコ−ンオイ
ルを添加することにより、分解ガスの発生を抑制し電池
の膨れ防止を果すことができ、電極特に負極表面に良好
な皮膜を生成するが、その皮膜が不均一であると負極表
面の細部まで液の浸透がないことがある。その為に、充
分な放電特性を示さない時があるが、シリコ−ンオイル
に加えて、更に、上記界面活性剤を添加することによ
り、負極表面細部まで均一な皮膜を生成することがで
き、非水電解液を用いた二次電池の放電特性、低温放電
特性及び高温放電特性をより一層向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の実施例に係る非水電解液二次
電池の一例断面図である。
【図2】図2は、実施例1と比較例1及び比較例3の低
温放電後のインピ−ダンス曲線を示すグラフである。
【図3】図3は、実施例3と比較例2及び比較例4の低
温放電後のインピ−ダンス曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
1…非水電解液二次電池 2…正極 3…負極 4…セパレータ 5…非水電解液 6…ボタン型電池容器 7…正極側集電体 8…負極側集電体 9…ガスケット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 六角 隆広 埼玉県富士見市水谷東3−11−1 富山薬 品工業株式会社志木工場内 (72)発明者 小島 哲雄 埼玉県富士見市水谷東3−11−1 富山薬 品工業株式会社志木工場内 (72)発明者 上田 定夫 埼玉県富士見市水谷東3−11−1 富山薬 品工業株式会社志木工場内 (72)発明者 中野 稔 埼玉県富士見市水谷東3−11−1 富山薬 品工業株式会社志木工場内 Fターム(参考) 5H029 AJ02 AJ12 AK02 AK03 AK05 AK16 AL06 AL07 AL08 AL12 AM02 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ02 BJ03 DJ09 EJ11 HJ01 HJ02 HJ10

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非水溶媒と、電解質としてリチウム化合
    物を含む二次電池用非水電解液において、次の式1で表
    されるシリコ−ンオイルとフルオロポリオキシエチレン
    エ−テルからなるフッ素系非イオン界面活性剤とを含有
    させてなることを特徴とする二次電池用非水電解液。 【式1】 但し、上記式中のR は、アルキル基であり、同一でも、
    異なっていてもよい。n=0〜1000。
  2. 【請求項2】 二次電池用非水電解液中のシリコ−ンオ
    イルの濃度が0.002〜2重量%、請求項1に記載の
    フッ素系非イオン界面活性剤の濃度が0.001〜0.
    1重量%であることを特徴とする、請求項1に記載の二
    次電池用非水電解液。
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